建筑光储直柔关键技术及其应用_王晓辉.pdf
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1、建筑光储直柔关键技术及其应用王晓辉夏梦晨北京建筑大学 电气与信息工程学院摘要:配备光储直柔配电系统的建筑集产电-储电-用电于一体,可以实现光电的有效消纳,对于建筑减排、解决光电安装空间、光电调控具有积极意义。针对光储直柔配电系统中的光伏发电系统、储能系统、直流配电系统、柔性用电系统等四个部分的功能原理及研究现状进行了分析和总结,并论述了光储直柔建筑建设中的主要措施及实现难点,为今后节能建筑配电系统的建设及改造提供方向。关键词:光储直柔;碳中和;配电系统;建筑光伏一体化DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.04.012Key Technologies and Ap
2、plications ofBuilding Photovoltaic Energy StorageDirect Current and FlexibilityWANG Xiaohui,XIA MengchenSchool of Electrical and Information Engineering,Beijing Ar-chitecture UniversityAbstract:Buildings equipped with photovoltaic energy storage directcurrent flexible distribution systems integrate
3、power generation,stor-age,and consumption,which can achieve effective absorption of pho-toelectricity.It has positive significance for building emission reduc-收稿日期:2022-07-17基金项目:国家重点研发计划资助(2019YFE0194300)作者简介:王晓辉(1982-03-),女,博士,副教授,硕士生导师,从事光储直柔关键技术研究夏梦晨(2000-01-),女,硕士研究生,研究方向为建筑电气与智能化SHANGHAI ENERG
4、Y SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术tion,solving photoelectricity installation space,and p
5、hotoelectricity regulation.This article analyzes and summarizes the functional principles and research status of the photovoltaicpower generation system,energy storage system,DC distribution system,and flexible power consump-tion system in the light storage direct flexible distribution system.It als
6、o discusses the main measuresand implementation difficulties in the construction of PEDF buildings,providing direction for the con-struction and renovation of energy saving building distribution systems in the future.Key words:PEDF;Carbon Neutrality;Power Distribution System;Building Photovoltaic In
7、tegration0 引言三相平衡是指三相电频率、幅值相等,相位相差120,但是由于我国配电网多使用三相四线制,低压配电网的覆盖0 引言习近平主席于2020年9月22日在联合国大会上宣布中国将采取有力的行动和措施,加快形成绿色的发展和生活方式,并提出力争2030年前碳达峰、2060年前碳中和的绿色低碳转型目标。基于此战略目标,2021年12月8日中央经济工作会议指出实现碳中和碳达峰是高质量发展的内在要求,需要结合我国以煤为主的国情,提高新能源消纳能力,加大绿色低碳技术的攻关力度。我国 “十四五”节能减排综合工作方案 中也明确提出,2025年全国能源总值消耗相较于2020年降低13.5%,且城镇
8、新建建筑全面执行绿色建筑标准1。作为三大用能部门(建筑、交通、工业)之一,建筑是资源消耗、能源使用和温室气体排放的主要来源,建筑行业能否转型也是完成“3060”目标的关键一步。从国内现有数据来看,2000年至2016年,我国建筑部门碳排放总量年均增长6.96%2。2019年,我国建筑运行所产生的间接碳排放中与电力相关的约11亿t,其中城镇及农村住宅占约44%,公共建筑占约30%3。因此,建筑领域的节能减排对于实现“双碳”目标具有重要的现实意义4。为支持建筑领域节能减排,我国出台了系列文件,其中 国家发展改革委、国家能源局关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见2030年前碳达峰行动方案
9、 与 智能光伏产业创新发展行动计划(2021-2025年)等均提及并支持建设光储直柔建筑。基于我国的自然条件与现实情况,积极发展建设光储直柔建筑将对如期完成碳中和碳达峰目标具有积极作用。本文针对建筑光储直柔系统中分布式光伏、储能、直流配电系统、柔性用电相关领域的研究内容进行了深入的总结和分析,阐述了各项技术的原理、作用机制、实验方法等,以期为建筑领域“双碳”目标的实现提供有效的参考。1 光储直柔配电系统关键技术所谓光储直柔配电系统,“光”代表在建筑中建立分布式光伏。“储”代表分布式储电,减少光伏产生的电能逆变上网,建筑再从电网上用电这一过程。“直”代表着建筑不再使用交流配电网,而是使用直流配电
10、系统,避免交直流转换带来的不必要损耗。“柔”代表柔性用电,即建筑用电设备具有可中断可调节的能力,可以实现需求侧用能的调控避免“峰谷”的出现。1.1 光伏发电系统光伏发电系统(以下简称“光伏”)是指通过固态组件直接将太阳能转换为电能,而不需要燃料、移动部件和导致环境污染的清洁发电技术。光伏最初应用在航天领域,后来在需求侧能源生产等领域开始应用,是高效利用太阳能,并实现隐蔽建设的方法之一。光伏组件或阵列可以集成到建筑物如屋顶、立面、天窗等的外部设施上,这些都被称为建筑光伏一体化(Building Integrated Photovolta-ic,BIPV)。BIPV在实现建筑保温、降噪等基础功能建
11、筑光储直柔关键技术及其应用469SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018的同时做到了就地发电和节省建材5,相较于建设集中光伏电站来说更加经济节能。光伏发电效率的大幅提升和成本的大幅下降都在推动着光伏建筑一体化的进程。2018年有超过20%效率的设备实现商业化,同时期组件价格下降了94%。在技术创新方面,铜铟镓硒、碲化镉等新型光伏电池材料在国内外均取得阶段性进步,光伏的效率和经济优势均有新突破6,这在很大程度上推动了光伏发电技术的应用和发
12、展。光伏在我国城镇中的未来发展方向主要围绕在建筑的屋顶和表面,以优先自发自用为主要的接入方式。建筑的光储直柔配电系统正好适用于这种发展方式,并解决光伏发电所遇到的安装空间不足和发电端功率变化与用电端功率变化的不同步这两大问题7。1.1.1 光伏发电的影响因素随着光伏发电产业在我国的快速发展,运维管理、发电效率等出现的问题接踵而至。尽管现在的光伏装机规模很大,但是因为缺失关于光伏科学的预测与监测,使得经济效益与规模并不匹配。因此,研究自然气象与地理信息的变化与光伏发电量之间的关系便成为系统能够安全、稳定、经济运行的重要基石。现有文献通过多因子综合回归分析法、模型仿真和灰色关联度法等方法对环境因素
13、与光伏发电量之间的关联进行了分析,并得出了以下结论:对发电量具有正效应的因素有光照量、日照时数、辐射强度、蒸发量、环境温度,其中光照量对系统的输出特性影响较大,辐照强度对系统的输出功率稳定性成正比;具有负效应的环境因素有风速、日类型、降水量、总云量8-10。上述影响因素中最为重要的是太阳辐照量,光伏组件能接收到多少太阳辐照量与其选址和安装角度有重要关系。依据太阳年曝辐照量的大小,中国可分成四个光伏资源带,数值如表1所示。其中、类资源总辐照量较优,光伏发电量更高,主要集中在西藏、新疆、宁夏、山西、青海等地11。表1 国内年均辐照量分布数值光伏资源带类资源丰富带类资源较富带类资源一般带类资源贫乏带
14、太阳年曝辐照量1 700 kWh/m21 5001 700 kWh/m21 2001 500 kWh/m21 200 kWh/m21.1.2 光伏发电量的预测由于受多种气象因素的影响,光伏发电存在随机性、波动性、间歇性等缺点,往往导致供电系统无法稳定运行,因此准确预测光伏的发电量有助于运行维护,降低光伏对电网的冲击。由于多种因素对光伏的扰动具有很大的随机性,使得预测的难度大大增加,短期预测尤甚12-13。光伏发电的预测方法主要分为统计法及物理法,前者程序简单但是需要大量历史数据,后者不需要历史数据可直接预测,但是需要地形图等数据。文献 14对短期光伏发电预测的方法进行了分析,并提出了统计法中的
15、智能预测法(主要基于神经网络)将是小型光伏系统发电量的主要预测方法,其误差在 3.0%至11.0%之间。对于光伏发电量的预测可以降低电力调度的难度,但是预测只是应对发电系统不稳定性的一种手段,光伏在建筑中独立使用将面临其不确定性和波动性,白天系统产能多夜间系统产能少的问题。为维持建筑供电的稳定性,通过储能系统以及柔性用电系统的优化配置可实现光伏的有效消纳,将在本文的1.2和1.4节进行介绍。1.2 储能系统在清洁能源普及的今天,电力储存是比能源储存更具有经济效益的选择,而如今的蓄电池储能系统还不足以作为较长时间的能源储备来运行,储能与建筑的结合恰好可以解决这一问题。光伏在白天发电最高,但消耗量
16、最低,富余的产能可以储存起来供夜间使用,满足了需求侧的峰谷用电需求并减少向电网提供能源的传输成本,消纳电能的同时减少对上游电网的依赖。470SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08
17、期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术1.2.1 储能类型根据使用的能量形式可以将储能类型分为电化学储能、物理储能、电力储能、化学储能与热储能。在这五种类型包含的储能技术中,电化学储能是日常生活中最为常用的储能方式,适合于可再生能源并入、系统调峰、充当应急能源等场合。电化学储能的优点在于响应速度快、不受地理问题约束,相关技术的研究也较为成熟且类型丰富多样,其中铅酸电池的性价比、回收率、能量效率都很高,可以应用于混动力汽车与削峰填谷。锂离子电池相较于铅酸电池来说建立大型供电系统的成本较高,但其具有单体电压高、启动和响应时间短等优点,在电力系统储能领域同样具有竞争力15-16
18、。1.2.2 储能系统与电动汽车的结合在建筑转型升级的同时,交通产业同样作出了改变,电动汽车的产量如图 1 所示整体呈上升态势。为满足电动汽车的充电需求,充电桩也成为了建筑配套设施的一部分,而充电桩及电动汽车蓄电池均可以充当建筑的储能单元。图1 中国新能源汽车产量折线图文献 17提出了一种考虑电动汽车及分布式储能具有经济性的多阶段联合规划模型,降低了配电网的建设成本。邓成良等人发明了一种基于新能源智能电网的电动汽车储能系统,其中包含建筑物中光伏电池、储能电池、DC/DC模块、智能调控等,与光储直柔建筑具有很好的适配性18。储能电池未来将呈高收益的趋势,其成本得益于电源侧储能和电动汽车的高速发展
19、在快速降低,建筑对于充电桩的需求也越来越大。除充电桩外,电动汽车本身也可以作为储能装置,当其不需要驾驶时,智能电网可以将其作为建筑备用电源 19,在双向充电时电动汽车能将电能输送到建筑中参与需求侧响应,并与更广泛的建筑控制系统合作,发挥削峰填谷等功能5。1.3 直流配电系统随着直流配电关键技术的逐步突破,在建筑内采用低压直流配电系统被认为是未来建筑供配电系统的发展趋势,原因主要有以下几点:1)减少损耗。直流配电线路传输效率高、损耗低、节省线路、不需要无功补偿、模块化程度高,相较于交流电路减少了直流设备与配电网的交直转换环节,且直流配电更容易实现系统扩容与故障隔离,减少了相应设备的投资,更加具有
20、经济效益。2)适配性越来越高。直流系统与电气智能化技术结合应用可以使系统控制更加简单。光伏产生的电力是直流的,如LED照明、洗衣机、冰箱、手机等末端设备也是直流的,直流设备遍布我们生活的角落。3)更加安全。从安全的角度来看,直流配电系统尤其适合在幼儿园、中小学、养老类公寓等建筑推广,直流系统采用高阻接地的方式,当人接触单极导线时不会形成回路,且末端通常采用特低直流电压,即使人与其发生接触也不会影响生命安全 20。1.3.1 直流配电系统结构目前,直流配电网多采用网络拓扑结构。为保证柔性直流配网的稳定运行,优化电网等网络的多能互补协同作用,文献 21设计了能量管理层、总线控制层、变频器控制层等直
21、流配网的多层控制架构。顶层为能源管理层,采用多目标优化策略,实现系统的最优集中管理;中间层是连接能量管理层和转换器控制层的总线电压控制层,用来处理直流配网内部的能量和信息;底层是转换器控制层,采用自上而下的分散自主控制策略实现不间断供电,控制时间从小时到毫秒不等,从上到下增加了系统的可靠性和灵活性。建筑光储直柔关键技术及其应用471SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820181.3.2 直流电压等级直流配电系统的本质是逐级升压的系统,故确定
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